聚乙烯生产工艺设计.docx
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聚乙烯生产工艺设计
专业课程设计
题目：
年产30万吨聚氯乙烯的生产工艺设计
院部：
化学化工学院
专业：
材料化学班级：
1101学号：
201106200129
学生姓名：
王礼银
导师姓名：
李谷才
完成日期：
2014年7月5日
课程设计任务书
院部：
化学化工学院专业：
材料化学班级：
1101
姓名：
王礼银同组人员姓名：
一．课程设计题目：
聚氯乙烯的生产工艺设计
二．课程设计内容及设计要求：
1、对目标设备进行综述；
2、目标设备生产原料选择；
3、设计合理的技术参数；
4、绘制目标设备结构示意图；
5、编制设计说明书。
三．课程设计时间安排：
6月22日至7月5日
第18周：
查阅文献、拟定设计方案。
第19周：
制定设计方案，编制设计说明书。
四．主要参考资料：
[1]米镇涛.化学工艺学[M].北京:
化学工业出版社,2005年.
[2]韩冬冰.化工工艺学[M].中国石化出版社，1997年.
[3]周志华．尹华杰．化工设备设计基础．[M]．化学工业出版社,1996年.
[4]张濂．许志美．化学反映器分析[M]． 化学工业出版社,2005年.
指导教师：
李谷才
教研室主任：
黄先威
院教学院长：
2014年6月21日
1引言
聚氯乙烯（PVC）是5大通用塑料之一,具有耐腐蚀、电绝缘、阻燃性和机械强
度高等优异性能,广泛用于工农业及日常生活等各个领域,尤其是近年来建筑市场对PVC产品的巨大需求,使其成为具备相当竞争力的一个塑料品种。
PVC糊树脂自20世纪30年代开发以来,已有近70年的历史。
目前全世界PVC糊树脂总生产能力约200万t/a,其中,西欧是PVC糊树脂生产厂家最多、产量最大的地区。
我国聚氯乙烯工业起步于于50年代，仅次于酚醛树脂是最早工业化生产的热塑性树脂，第一个PVC装置于1958年在锦西化工厂建成投产，生产能力为3000吨／年。
此后全国各地的PVC装置相继建成投产，到目前为止，我国有PVC树脂生产企业80余家，遍布全国29个省、市、自治区，总生产能力达220万吨／年70~75万t/a。
PVC树脂在我国塑料工业中具有举足轻重的地位，同时PVC作为氯碱工业中最大的有机耗氯产品，对维持氯碱工业的氯碱平衡具有极其重要的作[1]。
本设计为年产量30万吨聚氯乙烯车间聚合工段工艺。
本次设计采用了氯乙烯单体悬浮聚合工艺。
介绍了PVC的聚合工艺，建厂的有关事项及合成聚氯乙烯的流程和设备，对整个生产工艺做出了详细的叙述。
2年产30万吨聚氯乙烯生产工艺设计
2.1氯乙烯单体的合成路线
2.1.1联合法
以乙烯和氯化氢和乙炔反应,相比乙烯和氯气反应来说,提高了氯乙烯的生产能力,而且减少了氯资源的浪费和减少了坏境的污染。
物料平衡式为:
CH2=CH2+CH≡CH+Cl2
2CH2=CH2Cl
2.2聚氯乙烯工艺设计
2.2.1乙炔工段
（1）发生。
经破碎好的电石装进电石吊斗，推到提升口，由电动葫芦吊到三楼，送到发生器加料贮存，用N2置换其中的乙炔气后，电石在继续通N2的情况下，经第一贮斗碟伐放入第二贮斗，第二贮斗电石经过电磁振动加料器加入发生器内。
电石在发生器内遇水产生乙炔气，从发生器顶部逸出，电石水解时放出大量的热，可借连续加入发生器内的水来维持发生器温度，电石水解之后电石渣浆从溢流管不断排除，以维持发生器液面，渣浆从排泄口排到地沟，流到沉淀池集中处理，顶部逸出的乙炔气体经喷淋冷却后，分别进入气柜或水环压缩机。
（2）清净。
由发生器送来并经冷却的乙炔气，经水环压缩机加压到0.05~0.1Mpa左右，进入第一、第二清净塔，NaOCl溶液由泵打到第二清净塔顶，从塔底流出再由泵打至第一清净塔顶。
器塔底流出的废NaOCl溶液与冷却塔出来的废水回至废水贮槽，用泵打到发生器作为补充用水。
经清净后的乙炔气带有酸性[2]，进入中和塔用碱液除去，中和塔出来的乙炔气进入二台串联的列管冷凝器除去大量水分后，送氯乙烯工序。
2.2.2氯化氢工段
原料氢气由电解装置输氢泵送来，经过氢气气柜缓冲及阻火器，进入钢制合成炉底部的燃烧器点火燃烧。
原料氯气由电解装置氯干燥送来经缓冲器后按一定的摩尔比[H2:
Cl2=（1.05～1.1）:
1]进入合成炉灯头的内管，由下二上经石英灯头上的斜孔均匀地和外套管的氢气混合燃烧。
燃烧时火焰温度达到2000℃左右，并发出热和光，正常火焰呈青白色。
合成后的氯化氢气体，借炉身和夹套冷却水或散热翅片散热，到炉顶出口，温度降到100～150℃，再进入上盖带冷却水箱的石墨冷却器，用冷却水将氯化氢气体冷却到40～50℃左右，由下底盖排出，经阀门控制进入缓冲器，再送人串联的石墨冷却器，用-25℃左右的冷冻盐水，将气体冷却到-12℃～-18℃后，进入酸雾分离器，气体中夹带的40%盐酸雾沫由分离器内的有机硅玻璃棉捕集，冷凝酸排入酸贮槽。
分离器出口的干燥氯化氢气体经缓冲器进入纳氏泵压缩，借泵内浓度93%以上的硫酸作液封和润滑。
硫酸随氯化氢排至气液分离器，自下部流入盘管冷却器，经水冷却后循环吸入纳氏泵[3]；分离器出口的干燥氯化氢经缓冲器送至氯乙烯合成装置。
2.2.3氯乙烯工序
（1）混合脱水工序。
由乙炔工段送来的粗乙炔气经砂封与来自HCL工序的HCL经缓冲罐通过孔板流量计调节配比在混合器内充分混合，进入石墨冷却器内在﹣35℃盐水下进行冷却到﹣14℃±2℃，C2H2、HCL混合气体在此温度下，部分水份以40%左右的酸雾析出，部分酸雾夹带于气相中进入多筒过滤器，由含氟硅油棉捕集分离。
然后，经二台石墨预热器预热后进入转化器[4]。
（2）合成转化。
干燥、预热后的混合气从转化器上部进入，通过列管中装填的吸附于活性炭上的HgCl2触媒转化为粗氯乙烯，转化过程反应放热则通过热水循环泵循环的热水移去。
粗氯乙烯在高温下带逸的HgCl2升华物在填装活性炭的吸附器中脱除，然后进入精馏系统。
（3）水洗、碱洗、氯乙烯压缩。
除贡后的粗氯乙烯进入三合一水洗组合塔，经碱
洗塔，出去残余的微量HCL后进入VC气柜或经机前冷却器，出去部分夹带液，经
螺杆压缩机加压到0.5~0.6MPa（表压），经机后冷却器除去夹带水和油后，送精馏。
（4） 精馏。
由单压缩机出来的粗氯乙烯气体进入全凝器，使大部分冷凝液化经低
沸加料贮槽，进入低沸塔，未凝聚气体进入尾气冷凝器，其冷凝液全部进入低沸塔。
低沸塔釜加热器将冷凝液中低沸物蒸出，经塔顶冷凝器用7℃水或者5℃水控制回流
比后，由塔顶汇入尾气冷凝器处理，塔釜粗氯乙烯进入高沸塔，尾气冷凝器未冷凝
的气体经变压吸附回收大部分氯乙烯和乙炔后，惰性气体排空。
由低沸塔进入高沸
塔的氯乙烯，经调节阀控制流量，减压后进入高沸塔。
高沸加热器将氯乙烯逸出，
经塔板分离成氯乙烯，经塔顶控制部分回流，大部分氯乙烯进入成品冷凝器，然后
进入单体贮槽，按需送聚合工序，在高塔釜分离收集到的1，1二氯乙烷（EDC）为
主的高沸物进入残液槽，定期压送废液处理塔，将残液中的二氯乙烷精制，包装外
销，未凝VC其他回到气柜[5]。
（5） 冷冻站
+5℃水系统。
从液氨槽出来的液氨经过5℃水分配台流入蒸发器，液氨变成气态氨带走蒸发器外工业水热，合格的5℃水由5℃水泵送往乙炔、合成、聚合。
蒸发器内汽化的氨背螺杆氨压机抽走，经压缩到1.5Mpa（表压）左右的过热气态氨进入油分离器[6]，分离后的气态氨进入蒸发式冷凝管列管内，被外管水冷却成液氨，进入热虹吸氨贮液器，溢流到液氨贮槽完成制冷循环。
﹣35℃盐水系统。
从液氨贮槽出来的液氨首先进入经济冷却器过冷后，获得的低温液氨经盐水分配台节流膨胀进入蒸发器盘管，吸收管外盐水的热量而气化，是管外盐水温度降低，合格的﹣35℃盐水由泵送往合成、聚合使用。
气态氨自蒸发器吸入螺杆压缩机内，经压缩后的过热气态氨进入油分离器，分离后的油后进入蒸发式冷凝器，被水间接冷凝为液氨，流入热虹吸氨贮液器，再溢流到液态氨贮槽，完成制冷循环。
在池内加工业水，再加氯化钙，将盐水比重调制1.28～1.29，按需送盐水蒸发器。
（6）溴化锂系统
溴化锂制冷是以蒸汽为动力，利用“溴化锂与水”组成的二元溶液为工质对，在真空状态下，水蒸发作为制冷剂，从而吸收载冷剂（冷媒水）热负荷，达到所需的合格7℃水送到合成工序。
溴化锂水溶液作为吸收剂，常设和低温下强烈地吸收水蒸汽，通过高温（蒸汽）将水份释放和循环水冷却吸收，周而复始实现制冷循环[7]。
2.2.4聚合工序
本工艺流程全过程控制采用DSC集散控制。
首先将合格的脱离子水、VCM单体、分散剂、引发剂及其他助剂按配方要求精确计量后，由泵加入到经闪蒸真空防粘釜处理后的聚合釜中，用循环热水升温至制定温度后进行恒温反应，在最短反应时间、压力降达到配方要求后加入种植剂终止反应。
浆料由泵送至料浆贮槽，为反应的单体经回收单体真空泵回收至VC气柜，去回收装置进行加压冷凝回收。
2.2.5压缩冷凝回收
因聚合反应的收率≤85%，故釜内有未参加聚合反应的氯乙烯单体，经过聚合釜及排放槽泄压后仍有0.3～0.5MPA的余压，可直接用5℃水和﹣35℃盐水经过一级、二级冷凝器进行冷凝，当其压力处于5KPa～0.3 Mpa时再进行加压冷凝，成为回收单体备聚合使用，不凝性气体则从排空管排向大气。
2.2.6离心干燥及包装
由气提塔出来的PVC料浆，以离心机分离大部分水份后得到约含水20%~25%的湿PVC树脂，之后由螺旋输送器送到干燥系统进行干燥。
树脂干燥器采用脉冲气流干燥塔及旋风干燥床，热风为干燥热源，干燥好的PVC从圆盘振动筛筛选后被罗茨鼓风机抽如料仓[8]。
料仓里的PVC成品经全自动缝包、称重、码垛、分析合格后入库。
2.3物料衡算及设备选择
2.3.1物料衡算
（1）生产能力
年产30万吨的聚氯乙烯
年工作日：
以300天计算
日产量：
30×104×103/300=106 kg/d
小时产量：
30×104×103/300×24=4.17×104kg/h
聚合物一般进行到转化率为85%～90%，再加上在洗涤树脂、包装工段的损失，这里取转化率为88%。
x=4.17×104/88%=4.74×104 kg
∴每小时要合成氯乙烯4.74×104 kg。
2.3.2生产设备
见表1:
表1主要设备及其生产能力
序号设备规格/型号数量
1乙炔砂封Φ1200×3001
2HCl缓冲罐V=30m21
3混合器Φ900×40001
4石墨冷却器GHA800-1053
5多筒过滤器Φ1600×40001
6石墨预热器GHB1600-3351
7废酸贮罐V=10m23
8转化器Φ4000×970027
9除汞器Φ2400×48501
10单体贮槽2840×300024
11料浆槽5000×135006
12汽提塔2000×12861型6
13混料槽260m3型6
14旋风干燥器（床）3100×92006
15聚合釜JB/T4725—9224
2.4生产过程要求与措施
2.4.1厂内的防火防爆措施
可燃物质达到了它的燃点就能引起燃烧。
而导线及各种电气设 备的绝缘大都是可燃材料。
电气设备过热以及电火花、电弧甚至静电都能引起火灾。
设备过热大致有以下几种:
（1） 短路电力网中的火灾大都是由短路引起的。
短路后电流急剧增加可达正常值的几百倍引起过热。
造成短路的原因,一是电气设备或导线失去应有的绝缘能力， 二是在安装检修或操作使用中工作疏忽引起短路。
前者有因绝缘老化或局部磨损腐蚀失去绝能力。
（2） 过载线路或设备长期国负荷运行。
过载后电流增加，时间一长也会引起火灾。
扑灭电气火灾的方法切断电源切断电源就切除了电气火灾的来源,同时也减少了救火人员触电的危险,切断电源后还可采用普通的灭火器灭火。
切除电源时应尽量做到以下几点电气设备如水淋、烟熏后绝缘程度下降,切断电源时应使用绝缘工具,以防触电。
操作时应先断开接触器或断路器切断电深再拉开隔离开关或刀开关。
如果采取剪断电线的方法切除 电源时,应做到正确剪线。
如果条件限制 ,必须带电灭火时应注意做到电气设备起火 ,不能用普通的泡沫灭火剂,只能用干砂覆盖,或用二氧化碳，二氧二溴甲烷或干粉灭火剂,防止人员触电。
用四氯化碳灭火器,要防止中毒[9]。
因四氯化碳受热,与空气中的作用,会生成有毒的光气COCl2和Cl2，要打开门窗或戴上防毒面具。
用二氧化碳灭火时 ,要注意防止冻伤和室息。
因二氧化碳是液态的,喷射后,大量吸热可形成达-78.5℃的低温,并隔绝氧气。
2.4.2车间照明及采暖措施
照明用电是工厂企业最为基本的电力需求, 照明质量的好坏对生产安全、劳动生产率、产品质量和劳动卫生都有直接关系。
采用高效节能电光源及其照明电器附件。
电光源种类繁多, 用途各异, 但均要求三高, 即:
高发光效率、高寿命、高显色性。
因此在工厂照明中, 应优先选用高强度气体放电灯有高压钠灯和金属卤化物灯 , 尤其是金属卤化物灯是第3代光源中的佼佼者, 是光色和显色指数要求较高的仪表装配车间、机加车间、汽机房运转层等工业厂房的首选光源。
当一种光源不能满足色温或显色性要求时, 也可采用两种光源的混光光源, 混光光源能充分发挥高强气体放电灯的优点, 达到节约能耗、提高照度, 改善光色的照明效果。
照明电器附件推广使用低损耗、性能优的光源电子附件包括电子镇流器、电子变压器、电子触发器等。
选用高效率、配光合理的照明灯评价灯具的关键指标是灯具效率, 灯具的效率及配光曲线取决于灯具反射面的材质、加工精度及外形。
抛光铝对可见光的反射率最高, 在工厂照明设计中宜优先采用。
灯具外型要求:
第一, 配光曲线适中, 一般选用介于深照和广照之间的宽口灯具最为合适; 第二, 灯具的外形不应是单抛物面反射型, 因为这样会将大部分的光能发射回灯泡,引起电压上升和功率增加, 缩短灯的寿命。
在工厂照明设计中, 灯具的选用应根据使用方法和使用环境的不同, 在满足眩光和配光要求条件下, 选用高效且安装维护方便的灯具,同时还应达到与建筑相协调一致目的。
2.4.3防静电，防雷措施
为预防雷电、静电对被保护物的破坏 ,必须将防雷防静电设施看成是一个系统工程 ,全方位地进行防范。
低压线路全线采用 电缆直接埋地敷设供电系统 ,在人户端上是否将电缆的金属外皮，钢管接到防雷电感应的接地装置上 。
采用局部埋地敷设的低压线路 ,检查埋地长度是否与在电缆与架空线连接处是否已装设避雷器以及避雷器 、电缆金属外皮 、钢管和绝缘子铁脚 、金属架等是否连在一起接地 ,接地电阻是否小于10欧姆[10]。
检查架空金属管道在进 出建筑物处 ,是否每隔 左右接地一次 埋地或地沟内的金属管道 ,在进出建筑物处是否与防雷电感应的接地装置相连。
2.5三废的处理
2.5.1电石渣的处理
电石渣是PVC生产中排放量最大的污染物，大多数厂家在排放前未对其进行处理，给环境造成极大污染。
电石渣的处理有几种方法，如把滤去水的干渣堆积起来，风干后用于建筑（但现在许多城市已禁止电石渣直接用于建筑）、生产次氯酸钙或生产水泥。
我公司用电石渣代替石灰石生产水泥，把从发生器产生的渣浆，用泵送至水泥分厂，经过沉淀、压滤、混合之后，经立窖烧制、研磨而制成水泥。
这样不但解决了废渣的排放，也收到了极好的经济效益。
目前电石渣的处理还可用于其它产品的开发，有些已经取得了成功。
2.5.2电石渣上清液的处理
电石渣浆经沉淀之后，上层的液体叫上清液。
上清液经过进一步分离之后，再经过喷射风冷冷却到25℃左右备用。
其主要用于乙炔工段发生器的补充用水及发生系统冲洗用水，或用于转化工段水洗塔用水，用其独特的偏碱性水来除去VC中杂带的HCI效果较好。
实践证明从水洗塔出来的水的pH值由原来的14降为7左右，从而减轻了碱洗塔的负担，提高了碱洗塔的运行周期。
除了以上两种途径之外，剩余的上清液可加入氯气用以调节pH值至中性之后，把上清液中大部分S卜除去，再经水处理车间统一处理。
2.5.3热水的综合利用
热水来自HCI合成炉夹套热水、固定床循环热水、成品散热器疏水器产生的热水。
此热水在给高、低塔釜升温、聚合釜升温之外，还有多余的热量不能利用，只能加凉水来降低温度。
为此，结合我公司地处北方的特点，我们加了1台泵专将一部分热水用于冬季供暖，节省了取暖蒸汽。
又在成品工段蒸汽散热器之前加了1组散热器，用来消耗一定量热水，节约部分蒸汽。
热水的供给量视转化固定床水温而定，既节约了能源也解决了天热时热水无法平衡需加凉水的问题。
2.5.4尾气的回收利用
PVC生产的尾气主要产生于转化工段的尾凝器。
从尾凝器排放出来的气体，其主要成分为氢气、氮气、乙炔气及氯乙烯气体，其中氯乙烯含量在10%（体积分数）左右。
现在尾气处理的主要方法是采用活性炭，低温吸附其中的氯乙烯，其余的氢气、氮气、乙炔气因不被吸附而放空。
然后再将吸附的氯乙烯解吸出来达到回收氯乙烯的目的，氛乙烯回收率在85%左右‗但在解吸过程中需要大量的蒸汽来加热脱吸，同时在脱吸之后又要用热风干燥活性炭所吸收的水分，然后用一15℃盐水冷却活性炭。
这样就使这种方法操作较复杂，而且其中的乙炔气不能回收。
另外一种方法是离子膜分离法。
其原理中国氛碱2003年第1期是利用离子膜对分子有选择性，从而达到对氯乙烯、乙炔气体、氢气、氮气进行分离。
经离子膜分离后，含氯乙烯20%（体积分数）的气体回到氯乙烯气柜;含乙炔较多的气体可根据需要回到转化器重新反应或放空;而氢气与氮气被分离出来放空[14]。
这种方法的优点是操作简单、维护费用较少，其缺点是回收气体含量较低，从而增加了尾凝器、压缩机及制冷的负担及处理量。
如能将这两种方法结合起来，将有可能是今后处理尾气的方向。
2.5.5转化水洗塔水的回收利用
由于在转化过程中氯化氢与乙炔的配比在1.05一1.15:
1，甚至更高。
采用吸收塔吸收多余的HCI制酸之后，再用水洗塔水洗，然后碱洗。
现在采用水洗塔用水再循环技术。
在水的循环过程中，将一部分水加人HCI吸收塔代替制酸用水，同时在水罐中再补加同量的水来保证循环量。
这样，由于氯乙烯在盐酸中的溶解度比在水中的溶解度小一半，不但节约用水，而且还减少了氯乙烯的流失，每吨树脂可降低2kg电石耗，效益相当可观。
3总结
本设计为年产30万吨聚氯乙烯（PVC）的初步工艺流程设计，采用电石为原料，应用悬浮聚合法生产聚氯乙烯。
本设计主要针对悬浮法生产工艺流程，物料衡算，热量衡算，主要设备和管道的设计选型，车间布置和环保措施等相关内容做了简要介绍。
通过本次设计，对聚氯乙烯工业的发展历程及其发展前景有所了解。
就目前聚氯乙烯的发展现状来看，我国的聚氯乙烯产量及工业技术有很大的提高，尽管如此，与国外先进的技术相比，我国的聚氯乙烯工业仍然存在着很多问题，比如产品品种少、用途窄、产品质量低、生产的规模小等等。
随着国内外产能的迅速扩大，今后产品成本的降低、产品质量和品牌的竞争是未来的必然趋势。
参考文献
[1] 王书芳．氯碱化工生产工艺：
聚氯乙烯及有机氟分册[M]． 化学工业出版社,1995,1-3,59-64,50-64,165-167,174-175．
[2] 陈冠荣等．化工百科全书[M]．化学工业出版社,1993,125-127．
[3] 株洲化工集团．株化诚信公司工艺技术规程．
[4] 中国石化集团公司上海工程有限公司．化工工艺设计手册[M]．化学工业出版社,2003,402-403．
[5] 北京石油化工工程公司．氯碱工业理化常数手册[M]．1998,206-207．
[6] 张濂．许志美．化学反映器分析[M]． 化学工业出版社,2005,162-165．
[7] 柴诚敬．刘国维．化工原理课程设计[M]．天津科学技术出版社,1995,44-45.
[8] 厉玉鸣．化工仪表及自动化．[M]．化学工业出版社,1999．
[9] 余国琮．化工机械工程手册．[M]．化学工业出版社,2003．
[10] 周志华．尹华杰．化工设备设计基础．[M]．化学工业出版社,1996，297-334.
化学化工学院课程设计评分表（Ⅰ）
专业班级材料化学1101姓名王礼银学号201106200129
评价单元
评价要素
评价内涵
满分
评分
知识水平
30%
文献查阅与
知识运用能力
能独立查阅文献资料，并能合理地运用到课程设计之中；能将所学课程（专业）知识准确地运用到课程设计之中，并归纳总结本课程设计所涉及的有关课程知识
20
课程设计方案设计能力
课程设计整体思路清晰，课程设计方案合理可行
10
说明书质量
50%
文题相符
与课程设计任务书题目相符，内容与文题相符
5
写作水平
整体思路清晰，结构合理，层次分明，语言表达流畅，综合概括能力强
30
写作规范
符合课程设计说明书的基本要求，用语、格式、图表、数据、量和单位及各种资料引用规范（符合标准）；符合课程设计规定字数
15
学习表现
20%
工作量
课程设计工作量饱满，能按时完成课程设计规定的工作量
10
学习态度
学习态度认真，遵守课程设计阶段的纪律，作风严谨，按时完成课程设计规定的任务，按时上交课程设计有关资料
10
指导教师评定成绩：
实评总分 ；成绩等级
指导教师（签名）
注：
按优（90-100分）、良（80-89分）、中（70-79分）、及格（60-69分）、不及格（60分以下）五档制评定成
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